王祥力，王利恒，李聯(lián)中

（武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢 430205）

乳化液是一種高性能的半合成金屬加工液，特別適用于鋁金屬及其合金的加工。

在鋼鐵生產(chǎn)及其加工行業(yè)，特別是冷軋工藝中，乳化液主要起冷卻和潤滑的作用，濃度過高則勢必導致軋制油的浪費，且增加廢液處理成本；濃度過低則起不到潤滑作用，生產(chǎn)的帶鋼的防銹性能下降，因而乳化液的濃度最終影響冷軋鋼成品的性能，必須準確測量乳化液的濃度，將其控制在一定的范圍之內(nèi)[1]。

超聲波是頻率高于2 kHz的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，因而被廣泛用于測厚、測距、測速、遙控和成像技術等。工業(yè)中所用的乳化液一般是水基乳化型軋制液，這種液體介質(zhì)主要成分是水，還含有少量的精制礦物油、表面活性劑以及防護劑，為了便于分析和比較，我們將乳化液看成是乳化油和水混合而成的均勻溶液，建立超聲波在乳化液中傳播的速度與其濃度和溫度有關的數(shù)學模型[2]。

1 工作原理與系統(tǒng)組成

1.1 工作原理

本測量系統(tǒng)是利用超聲波測速法來間接測量乳化液的濃度，超聲測速法就是根據(jù)超聲波在不同濃度的液體介質(zhì)中傳播的速度不同，進而得出超聲波速度與液體濃度的關系，故我們最后直接利用超聲波在液體中傳播的時間，以下簡稱聲時，來推算液體介質(zhì)的濃度。而超聲測速法又可分為單探頭反射法和雙探頭穿透法，其結構如圖1所示。

圖1 聲速測量法Fig.1 Measurement method of sound velocity

本測量系統(tǒng)采用脈沖反射法，其測量原理是從換能器發(fā)射超聲波，經(jīng)過測量管段后遇到地底后發(fā)射至換能器接收，根據(jù)聲時我們即可得出超聲波在測量介質(zhì)中傳播的速度，加之超聲波在液體介質(zhì)中傳播的速度-濃度和溫度的數(shù)學模型，我們最終可得出聲時-濃度-溫度之間的關系式，根據(jù)測量的聲時和溫度推算出乳化液的濃度。

1.2 系統(tǒng)組成

依據(jù)超聲波測乳化液濃度的測量原理，除了被測介質(zhì)濃度影響超聲波的傳播速度外，還與被測介質(zhì)的溫度有關，故為了提高測量的精度，在測量時盡可能確保乳化液的溫度不變。本設計系統(tǒng)以超聲波探傷儀USD 15與上位機軟件的DDE通信為系統(tǒng)的核心，由工控機的PCI插槽上安置的研華板卡PCL-818L、PCL-725、PCL-726以及超聲波探傷儀USD15與測量反應裝置等構成。系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖Fig.2 The block diagram of system composition

整個測量任務都在測量釜中進行，超聲波的探頭發(fā)出超聲波，在測量釜中經(jīng)過介質(zhì)到達底面后反射回來，又被探頭所接收，這一個來回傳播的時間就被稱為聲時，通過DDE通信傳回上位機處理。由圖2可知本測量系統(tǒng)主要包括控制部分、測量部分組成，而測量部分主要包括超聲測量裝置、溫度調(diào)節(jié)裝置以及樣液提取裝置。

超聲測量裝置：超聲測量主要采用德國進口的超聲波探傷儀USD 15來完成聲時的測量，采用脈沖反射法，其探頭安裝在測量釜中，當樣液充滿測量釜時，超聲波探傷儀便可讀出對應的聲時數(shù)據(jù)。

溫度調(diào)節(jié)裝置：溫度調(diào)節(jié)裝置的任務就是為測量提供恒定的溫度條件，在實驗過程中單獨考慮濃度對聲時的影響時，通常將介質(zhì)的溫度控制在給定的溫度點上下，以此來減少溫度對聲時測量的影響，再單獨考慮溫度的影響時，通過溫度調(diào)節(jié)裝置來得到不同的溫度條件，進而得到溫度對聲時的曲線。溫度調(diào)節(jié)主要采用可調(diào)節(jié)溫度的恒溫控制箱完成，當介質(zhì)的溫度達到設定值時，自動停止加溫（加溫指示燈熄滅）；當介質(zhì)溫度低于設定溫度時自動加溫（加溫指示燈亮）。

樣液提取裝置：樣液提取裝置負責測量釜內(nèi)壁的清掃及樣液的抽取工作，程序開始時控制動樣液提取裝置完成清掃和提液的動作，為后續(xù)測量做好準備。

2 基于Dasylab的測控軟件設計

乳化液測控軟件是基于NI公司的DasyLab軟件平臺開發(fā)，它采用圖形化編程環(huán)境，通過連接函數(shù)圖標來完成數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、分析、統(tǒng)計、運算、控制、觸發(fā)等各種功能，控制程序可以實現(xiàn)濃度的在線測量、報警和數(shù)據(jù)記錄，具有良好的人機交互中文圖形化界面[5]。

測控軟件主要由工控機部分的采集、控制程序和超聲波測量裝置的通信程序以及溫度調(diào)節(jié)裝置的控制程序。采集數(shù)據(jù)主要由研華多功能數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L及相應的溫度傳感器來完成，控制動作由研華板卡PCL-725控制氣動電磁閥完成，控制氣動馬達旋轉清掃和上下動作來抽取和排除樣液?？刂栖浖慕Y構框圖如圖3所示。

圖3 軟件結構框圖Fig.3 Software structure diagram

系統(tǒng)的主要工作過程如下：開機啟動，先利用上位機和USD 15的DDE通訊對USD 15進行初始化，再啟動Dasylab測控軟件，通過研華開關量控制輸出板卡PCL725輸出開關信號控制電磁閥完成清掃、除液等操作，然后數(shù)據(jù)采集板卡PCL818L讀取溫度和流量數(shù)據(jù)，同時Dasylab與USD 15的DDE通信模塊獲取乳化液的聲時，最后利用Dasylab強大的數(shù)據(jù)分析和處理功能完成乳化液濃度計算及報警顯示功能[6-7]。

3 系統(tǒng)數(shù)學模型及溫度補償

根據(jù)聲學原理，超聲波在液體中傳播的速度是與液體的彈性模量和密度的函數(shù)，而液體的彈性模量又與液體的溫度T和壓力P有關；在假設油和水均勻混合的前提下，密度ρ和濃度N又存在一定的轉換關系，由此我們可知超聲波在乳化液中傳播的速度c=f（N，T，P）?？紤]乳化液的壓力變化很小，而且壓力對聲速的影響也很小，故可以忽略壓力的作用。為此我們可以得到c=f（N，T）的數(shù)學模型，再通過實驗測得大量溫度、濃度和聲時之間的關系式，利用二維插值的方法得出濃度的計算式[1]。

由于在實驗條件下，我們恒溫箱的溫度一般設定在40℃左右，故我們只需先測定T＝40℃時的3組不同濃度對應的聲時數(shù)據(jù)，然后利用一維插值算法求出聲時和濃度之間的關系，再固定濃度，求出聲時和溫度之間的關系，最后綜合可得二維插值表達式[4]。

在T＝40℃的條件下測出3組濃度數(shù)據(jù)n1＝1%、n2＝3%、n3＝5%對應的聲時t1、t2、t3，由拉格朗日插值可得

再使?jié)舛裙潭?，測量同一濃度在不同溫度下的聲時。濃度我們設定為n＝1%，測量T1＝20℃、T2＝30℃、T3＝40℃、T4＝50℃、T5＝60℃對應的聲時t11、t12、t13、t14、t15，再次利用一維拉格朗日插值得到

在乳化液的濃度—溫度—聲時模型中，我們先可以方便的得出對于一定的乳化液濃度N，測量并記錄不同溫度T和對應的聲時t如下：

式中：0≤i≤10；20≤Tj≤40，j＝0，1，…，m（m為實驗記錄的溫度聲時的個數(shù)）

下面對于上述記錄的m組數(shù)據(jù)采用三次曲線擬合的方法得出

結合武鋼二冷軋乳化液的實際情況，一般濃度大概在1.5%左右，因此分別配置濃度為0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%的10組乳化液進行試驗，得到10條聲時和溫度之間的3次曲線，將其離散化，得到10組等溫度間隔的各濃度對應的聲時值。在濃度為n%、溫度為T時，由于[T]≤T≤[T]+1（[T]表示不大于T的最大整數(shù)，下同），先利用線性插值法計算與10條曲線的交點得出其聲時值ti（T）＝ti（[T]）+[ti（[T]+1）－ti（[T]）]·（T－[T]），其中0≤i≤10，對于聲時介于tn（T）和tn+1（T）之間（0≤n≤i－1）的乳化液再次利用線性插值，有如下計算式：

下面是在實驗條件下測得的聲時－溫度－濃度對應的關系，如圖4所示。

圖4 不同溫度下的聲時-濃度曲線Fig.4 Under different temperatures the sound time-concentration curve

4 實驗研究及誤差分析

由于本試驗中不考慮壓力對乳化液濃度的影響，而溫度變化就是干擾濃度測量的唯一因素，在上述數(shù)學模型中我們采用二維插值來計算溫度對乳化液濃度的補償。抽取一定的樣品，一部分用本系統(tǒng)測量，另一部分用送至樣品鑒定室標準分析儀測定，比較兩部分結果，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)分析對比%Tab.1 Data analysis contrast%

從表1中可知本系統(tǒng)測量偏差分別為－0.08%、0.03%、0.06%、－0.15%、－0.1%、－0.05%，最大偏差為0.15%，能滿足要求。

設本系統(tǒng)中濃度、溫度、聲時的測量誤差分別為σn，σT，σt，依據(jù)間接系統(tǒng)誤差傳遞理論，有以下公式：

由此可見乳化液濃度的測量誤差是非線性的，主要由聲時、溫度的測量誤差引起，因此為了減小濃度測量誤差，必須合理控制聲時的測量精度，對溫度誤差進行補償，盡可能減小非線性差值計算的截斷誤差。

5 結 論

該系統(tǒng)使用超聲測速法測量乳化液濃度，通過對乳化液濃度－聲時－溫度數(shù)學模型的重新建立，在Dasylab下開發(fā)了系統(tǒng)的測控軟件，對乳化液的溫度和濃度達到了在線監(jiān)測的目的，為冷軋鋼產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠保證。在本系統(tǒng)設計中的關鍵在于USD 15與上位機之間的DDE通信程序及返回的聲時數(shù)據(jù)的測量精度，因此我們應該定期對設備進行維護，盡可能減小被測乳化液的雜質(zhì)，重點調(diào)試基于串口的DDE通信程序，使其穩(wěn)定正常。

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